pořádá pod záštitou PaedDr. Petra Navrátila - člena Rady Zlínského kraje 8. CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL,

Transkript

1 PEL 2014 pořádá pod záštitou PaedDr. Petra Navrátila - člena Rady Zlínského kraje PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL, který se koná dne 15. dubna 2014 v hlavní budově SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm, Školní 1610, Rožnov pod Radhoštěm. Sborník přednášek PE L fuchs 2014

2

3 PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL SBORNÍK PŘEDNÁŠEK Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm 15. dubna 2014

4

5 Redakční rada PEL 2014: Mgr. Miroslav Trefil Mgr. Petr Fuchs Ing. Anna Zejdová Ing. Bohumil Federmann Jan Koleček Ing. Jiří Král Ing. Jiří Kubeša Ing. Petr Michalík Ing. Jan Pilčík Ing. Petr Stavinoha Ing. Evžen Žabčík Grafický návrh obálky: Mgr. Petr Fuchs Sazba a tisk: SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm, Školní 1610, ISBN

6

7 OBSAH Program semináře PEL Mobilní komunikace dnes a zítra Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů Perspektivy elektroniky Technika FPGA Mikrovlnná skenovací mikroskopie Základní aktivní trojpóly v elektronice Aplikace hradlových polí Vývojový kit ZYNQ SystemC nástroje a prostředí pro návrh systémů na čipech moderních rozsáhlých hradlových polí a polí se smíšenými signály Modernizace výuky odborných předmětů v oblasti ICT a elektrotechniky

8 8

9 PROGRAM SEMINÁŘE PEL duben :15 9:15 Prezentace účastníků semináře v kinosále školy 9:15 Uvítání hostů- zahájení Mgr. Miroslav Trefil, ředitel školy 9:20 Organizační pokyny Mgr. Petr Fuchs, zástupce ředitele školy 9:25 Vystoupení zástupců firmy Freescale zabývající se vývojem polovodičových součástek 9:30 12:00 Vystoupení přednášejících dopolední blok Aplikace moderních hradlových polí Systém C prof.ing. Karel Vlček, CSc., UTB Zlín, FAI Mikrovlnná skenovací mikroskopie Ing. Milan Navrátil, Ph.D., UTB Zlín, FAI Moderní senzory a jejich aplikace prof. Ing. Pavel Ripka, CSc., ČVUT Praha, FEL Perspektivy elektroniky prof.ing. Miroslav Husak, CSc., ČVUT Praha, FEL Mobilní komunikace dnes a zítra prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc., VUT Brno, FEKT 12:00-12:30 Přestávka na oběd 12:30-15:00 Vystoupení přednášejících odpolední blok Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D., VUT Brno, FEKT Technika FPGA Ing. Vladimír Kašík, Ph.D., VŠB Ostrava, FEI Základní aktivní trojpóly v elektronice doc. Dr.Ing. Josef Punčochář, VŠB Ostrava, FEI Aplikace hradlových polí Vývojový kit ZYNQ 7000 Ing. Soběslav Valach, VUT Brno, FEKT Propad počtu absolventů technických oborů a nábor nových zaměstnanců pro ON SEMI Ing. Aleš Cáb, Výrobní ředitel ON Semiconductor v ČR 15:00-15:30 Přesun do firmy On Semiconductor Czech Republic Rožnov p.r. 15:30-16:30 Prohlídka Design Centra ON Semiconductor 16:30-17:00 Ukončení semináře, malé pohoštění Mgr. Miroslav Trefil, ředitel školy Ing. Aleš Cáb, Výrobní ředitel ON Semiconductor v ČR 9

10 10

11 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra MOBILNÍ KOMUNIKACE DNES A ZÍTRA Stanislav Hanus Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně, Technická 12, Brno hanus@feec.vutbr.cz Abstrakt: Za pouhých dvacet let se mobilní komunikace staly nedílnou součástí našeho profesního i soukromého života. Jejich dynamický rozvoj byl vynucen neustále rostoucí potřebou komunikace a výměny informací mezi dvěma nebo několika mobilními subjekty, které se nacházejí na libovolném místě zemského povrchu nebo v jeho těsné blízkosti. Následující text stručně popisuje současný stav i perspektivy mobilních komunikací. 1. Úvod V dynamickém vývoji systémů mobilních komunikací lze vysledovat určité etapy. Původní analogové systémy 1. generace (1G), určené pro přenos hovorových signálů, byly koncem minulého století nahrazeny digitálními systémy 2. generace. Na ně vývojově navázaly tzv. systémy 2,5 generace, které již umožnily výrazný podíl datových přenosů. V současné době jsou již zavedeny i systémy 3. generace, vyvinuté podle doporučení ITU (International Telecommunications Union). Přenosová rychlost signálu se v průběhu vývoje jednotlivých systémů změnila z jednotek kbit/s až po současné desítky Mbit/s. Vývoj mobilních systémů však pokračuje dále a již dnes jsou zaváděny nové systémy 4. generace umožňující zvýšit přenosovou rychlost signálu až na stovky Mbit/s. Využívají přitom kmitočtová pásma i v oblasti jednotek GHz, nové modulační a přístupové postupy i techniku MIMO. Na obr. 1 je znázorněn vývoj mobilních systémů podle generací. U každé generace systémů jsou uvedeny nejznámější mobilní systémy i typické přenosové rychlosti signálů. 11

12 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Obr. 1 Vývoj mobilních systémů Mobilní systémy lze rozdělovat podle různých hledisek. Dříve se rozdělovaly podle způsobu realizace rádiového spojení, podle použité technologie, podle struktury použitých sítí, případně podle toho, zda bylo možné systém připojit k veřejné telekomunikační případně i jiné síti nebo zda systémy využívaly družic či nikoliv atd. V dnešní době se mobilní systémy nejčastěji rozdělují podle velikosti území, které může systém pokrýt svým signálem, obr. 2. Rozlišujeme čtyři základní skupiny mobilních systémů pro vytváření sítí s označením WAN, MAN, LAN a PAN. Uvedené rozdělení je možné provést buď podle označení ETSI (European Telecommunication Standard Institute) nebo IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers). Obr. 2 Rozdělení mobilních systémů 12

13 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Typickými systémy pro vytváření tzv. celoplošných sítí WAN jsou systémy GSM, UMTS nebo LTE. Naopak pro vytvoření nejmenší sítě, tzv. osobní sítě PAN, lze využít například systém Bluetooth. Uvedené zkratky jsou někdy doplněny písmenem W (Wireless), které zdůrazňuje, že se jedná o bezdrátové sítě (WWAN, WMAN, WLAN a WPAN). V následujícím textu bude uveden základní popis nejznámějších mobilních systémů. 2. Systém GSM Buňkový mobilní systém GSM (Global System for Mobile communication) patří mezi systémy druhé generace (2G), které jsou již plně digitální. V roce 1991 vydal ETSI první část doporučení GSM - Phase 1. Zpočátku se systém používal pouze pro přenos hovorových signálů a datových signálů s přenosovou rychlostí do 9,6 kbit/s. Později se vývoj systému dostal do druhé fáze, GSM Phase 2 a díky dostatečné flexibilitě systému mohly být do něj implementovány nové technologie GPRS, HSCSD a EDGE (2,5G). V porovnání s analogovými systémy umožňuje systém GSM dosáhnout kvalitnější spojení v nepříznivých podmínkách pozemních rádiových kanálů, efektivněji využívá přidělená kmitočtová pásma a odolnost vůči odposlechu je vysoká. Přenos signálů v digitální formě umožňuje značně rozšířit nabídku poskytovaných služeb Používaná kmitočtová pásma Primární systém GSM, označovaný PGSM (Primary GSM) nebo GSM 900, má přidělené kmitočtové pásmo 890 MHz až 960 MHz rozděleno na dvě části. Pro spojení mobilní stanice MS (Mobile Station) základnová stanice BTS (Base Tranceiver Station), tzv. uplink, je vyhrazeno pásmo 890 MHz až 915 MHz. Pro spojení BTS MS, tzv. downlink, je vyhrazeno pásmo 935 MHz až 960 MHz. Využívá se přístup FDMA (Frequency Division Multiple Access) a kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex). Základnové stanice vysílají na vyšším kmitočtu duplexního páru, jehož rozteč je 45 MHz. Uvnitř každého pásma je vytvořeno 124 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Na horním a dolním okraji každého pásma jsou oddělovací úseky s šířkou 100 khz, obr. 3. PGSM (Primary GSM), MHz MHz uplink (UL) přenos signálu od MS k BTS MHz downlink (DL) přenos signálu od BTS k MS ARFCN = n khz 200 khz f CUL [MHz] 890,0 890,2 890,4 890,6 B = 200 khz 915,0 f CDL [MHz] 935,0 935,2 935,4 935,6 B = 200 khz 960,0 FDMA - FDD Rozteč duplexního páru 45 MHz Obr. 3 Rozdělení kmitočtového pásma systému PGSM Systém PGSM používá tedy 124 duplexních kanálů. V každém rádiovém kanálu je metodou TDMA (Time Division Multiple Access) vytvořeno 8 časových intervalů TS (Time Slot), které tvoří rámec TDMA, obr. 4. Do každého TS je vložen jeden uživatelský kanál, 13

14 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra při použití zdrojového kodéru s plnou rychlostí FR (Full Rate). Celkový počet uživatelských duplexních kanálů při použití kodéru FR je f s f CUL (9) f CUL (8) f CUL (7) f CUL (6) f CUL (5)..... TS 6 TS 6 TS 6 TS 6 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS khz.. TDMA rámec 4,615 ms TDMA t Obr. 4 Rozdělení uživatelských kanálů systému GSM V současné době se běžně používá i rozšířený systém GSM, označovaný EGSM (Extended GSM), jehož kmitočtová pásma jsou na spodních okrajích rozšířena o 10 MHz ve srovnání s PGSM. Kapacita systému se zvýšila o 50 duplexních kanálů (tj. 400 uživatelských kanálů). Systém GSM 1800, používá kmitočtová pásma 1710 MHz až 1785 MHz pro uplink a 1805 MHz až 1880 MHz pro downlink. V těchto pásmech je umístěno 374 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Rozteč duplexního páru je 95 MHz. Systém GSM 1900, se používá od roku 1995 v USA. Kmitočtová pásma 1850 MHz až 1910 MHz pro uplink a 1930 MHz až 1990 MHz pro downlink, jsou rozdělena na 299 kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Rozteč duplexního páru je 80 MHz. Od GSM 1800 se kromě kmitočtových rozsahů liší i v používaných výkonových úrovních. Systém GSM-R (Railway) se používá v železniční dopravě a umožňuje komunikaci až do rychlosti mobilní stanice 500 km/hod. (ostatní systémy GSM umožňují komunikaci při rychlosti do 250 km/hod.). Kmitočtová pásma 876 MHz až 880 MHz pro uplink a 921 MHz až 925 MHz pro downlink, jsou rozdělena na 19 kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Používá dokonalejší zabezpečení signálu. Uživatelský kanál nemusí využívat po celou dobu komunikace jedinou nosnou, ale podle určitých pravidel může měnit nosnou v pravidelných časových intervalech. Využívají se tzv. pomalé kmitočtové skoky (Short Frequency Hopping), kterými se sníží především ztráty způsobené Rayleighovým únikem v případech, kdy se mobilní stanice téměř nepohybuje. Podle používaných výkonových úrovní jsou mobilní a základnové stanice systému GSM rozděleny do několika tříd. Minimální výkon signálu vysílaného MS je 20 mw (13 dbm). Podle příjmových podmínek může systém měnit vysílací výkony po krocích minimálně 2 db Zpracování signálu Základními kroky při zpracování signálu jsou zdrojové kódování, kanálové kódování a digitální modulace. Po převodu analogového hovorového signálu do digitální formy dochází při zdrojovém kódování k redukci redundance (nadbytečnosti) a irelevance (zbytečnosti). Výsledkem je výrazné snížení přenosové rychlosti signálu na hodnotu 13 kbit/s. Následuje kanálové kódování, při němž je signál zabezpečen proti chybám v přenosovém kanálu. Zabezpečením signálu se zvýší jeho přenosová rychlost na 22,8 kbit/s, avšak 14

15 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra na přijímací straně je možné signál opravit a snížit tak jeho chybovost BER (Bit Error Rate). Součástí kanálového kódování je i prokládání (Interleaving), kterým se signál zabezpečuje proti shlukovým chybám. Výsledný signál je rozdělen do skupin po 114 bitech. Každá vytvořená skupina 114 bitů se rozdělí na dvě části po 57 bitech, které se doplní o 26 bitů tzv. tréninkové sekvence, dále o 2 bity řídicí a dvě trojice koncových (okrajových) bitů. Výsledkem je blok dat, který tvoří základní jednotku přenosu v systému GSM označovanou názvem normální burst. Tréninková sekvence dat je pravidelně vysílána uprostřed každého burstu pro zajištění funkce ekvalizace. Celkové struktura normálního burstu pro přenos hovorových signálů a některých řídicích signálů, je nakreslena na obr. 5. V systému GSM se používá pět různých druhů burstů. Kromě již uvedeného normálního burstu, jsou to dále burst pro kmitočtovou korekci, synchronizační burst, přístupový burst a prázdný burst. Jednotlivé bursty se vkládají do timeslotů (0,577 ms), které vytvářejí hierarchickou strukturu rámců. Přenosová rychlost signálu GSM v rádiovém kanálu je 270,833 kbit/s. 114 bitů Normální burst 156,25 bitů ~ 0,577 ms 8,25 Užitečné bity Řídicí bity Tréninková sekvence Okrajové bity Ochranné bity Obr. 5 Normální burst Osm timeslotů tvoří TDMA rámec s dobou trvání 8.0,577 4,615 ms. Tyto rámce se pravidelně opakují. Hovorový signál sestavený do burstů se tedy přenáší v určitých pravidelně se opakujících timeslotech TDMA rámců (viz barevně označené TS v obr. 4). Spojením 26 hovorových TDMA rámců vzniká jeden multirámec. Dalším spojením 51 multirámců vznikne jeden superrámec a konečně spojením 2048 superrámců vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny, 28 minut, 53 sekund a 760 ms. V případě, že jsou v TDMA rámcích přenášeny signalizační signály, potom jeden multirámec vznikne spojením 51 signalizačních TDMA rámců. Spojením 26 těchto multirámců vznikne jeden superrámec. Uvedená struktura všech rámců spolu s použitou ekvalizací, dovolují používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km/hod. Signál vytvořený popsaným způsobem se přivádí do modulátoru GMSK, kde je modulován na nosnou. Základním parametrem modulátoru je normovaná šířka pásma b = B.T b = 0,3 (kde B je šířka pásma Gaussova filtru, T b je bitová perioda signálu). Modulovaný signál je výkonově zesílen a vyzářen anténou do rádiového prostředí Architektura systému Blokové schéma systému GSM lze rozdělit na tři základní subsystémy, obr. 6. Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) obsahuje základnové stanice BTS (Base Transceiver Station), které jsou řízeny základnovou řídicí jednotkou BSC (Base Station 15

16 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Controller). Prostřednictvím rádiového rozhraní U m komunikují s tímto subsystémem mobilní stanice MS (Mobile Station). Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) obsahuje mobilní rádiovou ústřednu MSC (Mobile Switching Centre), která je vždy doplněna databází VLR (Visitor Location Register) uživatelů, kteří se nacházejí na území obsluhovaném danou ústřednou. Součástí NSS je i databáze HLR (Home Location Register), ve které jsou uloženy informace o všech uživatelích daného operátora. V centru autentičnosti AuC (Authentication Centre) se generuje tzv. triplet, obsahující údaje nutné pro ověření totožnosti uživatele a šifrování signálu. Registr EIR (Equipment Identity Register) obsahuje seznamy MS kradených, porouchaných a registrovaných. Operační subsystém OSS (Operation Support Subsystem) zajišťuje servis a koordinuje funkci celého systému (provoz, údržba, opravy poruch atd.). Jeho součástí je provozní a servisní centrum OMC (Operational and Maintenance Centre), centrum managementu sítě NMC (Network Management Centre) a administrativní centrum ADC (Administrative Centre) Datové přenosy v systému GSM Systém GSM umožňuje přenos dat s rychlostí nejvýše 9,6 kbit/s. Díky jeho flexibilitě však mohly být do něj implementovány systémy, které umožňují přenos dat s výrazně vyšší přenosovou rychlostí. Implementace systému HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) do struktury systému GSM nevyžaduje hardwarový zásah a je pouze softwarovou záležitostí. Podobně jako u původního systému GSM využívá i HSCSD tzv. komutované spojování (přepojování okruhů), při kterém je po navázání spojení blokován přenosový kanál i v případě, kdy se jím žádné signály nepřenášejí. Systém GPRS (General Packet Radio Service) implementovaný do systému GSM umožňuje přenos datových paketů přes rádiové rozhraní s teoretickou přenosovou rychlostí až 171,2 kbit/s. Poněvadž systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, bylo nutné doplnění jak MS, tak i dalších částí systému GSM o nové bloky PCU (Packet Controller Unit), SGSN (Serving GPRS Support Node) a GGSN (Gateway GPRS Support Node). Paketový přenos dat umožňuje vysoce efektivní využití přenosových prostředků, neboť tyto jsou využívány (blokovány) pouze po dobu přenosu signálu. Síť GPRS využívá ze sítě GSM především její rádiovou část. Pro kódování signálu na rádiovém rozhraní specifikoval ETSI pro GPRS čtyři různá kódovací schémata CS (Coding Scheme), Kódovací schéma CS1 představuje nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém rozhraní, což má však za následek nízkou uživatelskou přenosovou rychlost. Naproti tomu kódovací schéma CS4, je z pohledu odolnosti vůči chybám nejméně bezpečné, avšak umožňuje dosáhnout nejvyšší uživatelské přenosové rychlosti. Při využití všech osmi timeslotů jednoho TDMA rámce, lze pro kódovací schéma CS4 stanovit teoretickou přenosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS na 21, ,2 kbit / s. U systému GPRS je provoz rozdělen do 29 tříd, podle maximálního počtu využívaných timeslotů v uplinku a downlinku. O přidělování timeslotů uživateli rozhoduje operátor podle okamžitých provozních podmínek. Přenosová rychlost signálu proto závisí na počtu přidělených timeslotů a na kvalitě rádiového prostředí, podle které se volí vhodné kódovací schéma. 16

17 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra MS MS MS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BSC BSS BSC BSS BSC BSS OMC VLR MSC VLR MSC NMC ADC EIR AuC EIR HLR OSS NSS k externím sítím: PSTN, ISDN, PLMN,... Obr. 6 Architektura systému GSM Systém EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), implementovaný do systému GSM, podporuje paketový přenos dat. Umožňuje zvýšit přenosovou rychlost signálu při alokování všech 8 timeslotů až na hodnotu 473,6 kbit/s. Této vysoké rychlosti je dosaženo změnou používané digitální modulace. Zatímco systémy HSCSD i GPRS používají modulaci GMSK, systém EDGE používá i modulaci 8 PSK (Eight Phase Shift Keying). Využití tohoto systému vyžadovalo proto zásah do hardwarového řešení BTS i MS. Pro kódování signálů se používá 9 modulačních a kódovacích schémat, označených MCS-1 až MCS-9 (Modulation and Coding Scheme), která se volí v závislosti na kvalitě rádiového prostředí, tj. poměru C/I (Carrier to Interference). Při použití vyššího modulačního a kódovacího schématu se dosahuje vyšších přenosových rychlostí, avšak zabezpečení signálu proti chybám je menší. 3. Systém UMTS Systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) je systémem 3G. Podporuje spojování s rychlým paketovým přenosem dat i komutované spojování s přepínáním okruhů. Přenosová rychlost signálu se blíží hodnotě 2 Mbit/s, avšak pouze v případě, kdy je mobilní stanice v klidu. Při zvyšování rychlosti pohybu mobilní stanice, přenosová rychlost signálu klesá. Při maximální rychlosti mobilní stanice cca 350 km/hod. by přenosová rychlost signálu měla být minimálně 144 kbit/s. Systém používá kombinovaný přístup FDMA - CDMA (Code Division Multiple Access) a časový i kmitočtový duplex TDD (Time Division Duplex), FDD (Frequency Division Duplex). 17

18 3.1. Kmitočtová pásma S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro systém UMTS jsou vyhrazena kmitočtová pásma v okolí 2 GHz. Pro nepárovaná pásma 2 a 5 byla zvolena technologie TDD-WCDMA (Wideband CDMA), vhodná pro nesymetrické vysokorychlostní datové přenosy hlavně uvnitř budov. Pro párovaná pásma 3 a 6 byla zvolena technologie FDD-WCDMA, vhodná pro velkoplošné pokrytí a pro hovorové a středně rychlé symetrické datové služby. Podobně jako všechny systémy CDMA, je však tato technologie náročná na regulaci výkonu MS i BTS. Kmitočtové pásmo 1 je vyhrazeno pro přístup pomocí systému DECT a pásma 4 a 7 jsou vyhrazena pro družicovou komunikaci systému UMTS. Základní přístupovou metodou je širokopásmový kódový multiplex s přímým rozprostřením DS-WCDMA. Pracuje se základní čipovou rychlostí 3,84 Mchip/s a šířkou pásma rádiového kanálu 5 MHz. Pro downlink se používá modulace QPSK, pro uplink modifikovaná modulace QPSK. Je využito dynamické přidělování kanálů DCA a použit měkký handover. K zajištění celkové dostupnosti i v řídce obydlených nebo nedostupných oblastech využívá systém UMTS kromě svých pozemních složek T-UMTS také družicové složky S-UMTS Architektura systému UMTS Architekturu systému UMTS je možné znázornit pomocí různých modelů, z nichž každý popisuje systém z jiného pohledu. Základní architektura systému UMTS je uvedena na obr. 7. Páteřní síť Rádiová přístupová síť Iu - CS CS - Domain VLR MSC GMSC PSTN Node B RNC Iu - BC BC - Domain CBC EIR HLR Node B PS - Domain Iu - PS SGSN GGSN PDN Obr. 7 Základní architektura systému UMTS Základem je pevná páteřní síť CN (Core Network), která řídí provoz a spojení v systému. Směrem k účastníkovi následuje rádiová přístupová síť RNS (Radio Network System), která plní přenosové a přepojovací funkce. Využívá rádiového rozhraní UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), ke kterému mají přístup všichni uživatelé. Rádiovou přístupovou síť tvoří bloky RNS obsahující základnové stanice v jedné nebo více buňkách, které jsou vzájemně propojeny s řídicí jednotkou RNC (Radio Network Controller). Základnová stanice se u systémů 3G označuje Node B. Mezi RNS a dílčími subsystémy (doménami) páteřní sítě (CS Domain, BC Domain, PS Domain) jsou přesně definovaná rozhraní, umožňující páteřní síti využívat i jiné rádiové přístupové technologie. Tato rozhraní se označují Iu-CS (Circuit Switched), Iu-BC (BroadCast) a Iu-PS (Packet Switched). 18

19 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Páteřní síť má podobnou konfiguraci jako systém GSM a je složena ze dvou hlavních provozních částí (subsystémů, domén) určených pro různé druhy provozu. V subsystému s označením CS Domain je soustředěn pouze komutovaný provoz neboli provoz s přepínáním okruhů (obdoba hlasové komunikace v systému GSM). Naopak v subsystému označeném PS Domain je soustředěn pouze paketový provoz neboli provoz s přepínáním paketů (obdoba datové komunikace v systému GPRS). Obě domény využívají společně ostatních částí systému (HLR, EIR aj.), které jsou důležité pro identifikaci uživatele, roaming mobilní stanice MS obecně uživatelského zařízení UE (User Equipment) a další služby. Doména CS zajišťuje nastavení všech částí páteřní sítě pro komutovaný přenos včetně potřebné signalizace. Obsahuje MSC, GMSC, VLR a provádí i všechny potřebné funkce směrem k sítím PSTN (Public Switched Telephone Network), resp. ISDN (Integrated Services Digital Network). Obdobně doména PS provádí nastavení všech potřebných částí CN pro paketový přenos. Obsahuje SGSN, GGSN a zajišťuje všechny potřebné funkce směrem k paketovým sítím PDN (Packet Data Network), např. k síti Internet. Kromě uvedených hlavních domén je součástí CN i doména BC (BroadCast) obsahující centrum pro koordinaci vysílání v jednotlivých buňkách CNC (Cell Broadcast Center) Zpracování a přenos signálů Základní a nejdůležitější operace používané při zpracování signálů v systému UMTS jsou kódování kanálů (Channelization) a skramblování (Scrambling). Při obou operacích se používají speciální kódy. Pro kódování kanálů se používají ortogonální rozprostírací kódy nazývané Walshovy kódy, zatímco při skramblování se používají pseudonáhodné kódy PN (Pseudo-Noise codes, Pseudorandom codes). Walshovy kódy mají výborné vzájemně korelační vlastnosti (pokud jsou kódy synchronní, jejich vzájemně korelační funkce je nulová), avšak špatné autokorelační vlastnosti. Často se také označují zkratkou OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor codes). Pseudonáhodné kódy mají naopak výborné autokorelační vlastnosti (autokorelační funkce má impulzní průběh), avšak špatné vzájemně korelační vlastnosti. Při kódování kanálů v systému UMTS se používá technika DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum), při níž dochází k rozprostření spektra signálu, obr. 8. Vstupní úzkopásmový datový signál s určitou bitovou rychlostí je v obvodu XOR sčítán s rozprostíracím kódem s konstantní čipovou (chip) rychlostí 3,84 Mchip/s. Výstupní signál má rozprostřené spektrum a jeho šířka pásma závisí na vzájemném vztahu bitové rychlosti datového signálu a čipové rychlosti rozprostíracího kódu. Kvantitativně je rozprostření signálu popsáno tzv. činitelem rozprostírání SF (Spreading Factor), definovaném jako poměr čipové rychlosti rozprostíracího kódu a bitové rychlosti datového signálu nebo také jako počet čipů připadajících na jeden bit datového signálu. Systém UMTS používá SF v rozsahu 4 až 512. Kódování kanálů se používá za účelem rozlišení různých datových signálů (uživatelských kanálů), které jsou vysílány z jednoho zdroje. Přitom každý uživatelský kanál musí používat jiný rozprostírací kód. 19

20 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra bit čip Rozprostírací kód (čipová rychlost) Spektrum úzkopásmového signálu Datový signál (bitová rychlost) P Součtový obvod XOR Rozprostřený signál (čipová rychlost) P Spektrum širokopásmového signálu f f Obr. 8 Příklad rozprostření signálu technikou DS-SS Skramblování se používá ke vzájemnému oddělení signálů vysílaných z různých zdrojů, například UEs (User Equipments) v uplinku nebo Node Bs v downlinku. Poněvadž čipová rychlost PN kódů je stejná jako čipová rychlost OVSF kódů, nedochází při skramblování ke změně přenosové rychlosti signálu. Blokové schéma zpracování signálů v systému UMTS je nakresleno na obr. 9. Datový signál 1 Bitová rychlost OVSF 1 Kódování kanálů (Channelization) PN kód VYSÍLAČ OVSF n Čipová rychlost 3,84 Mchip/s Skramblování (Scrambling) Čipová rychlost VF modulátor Datový signál n Bitová rychlost Kódování kanálů (Channelization) Datový signál 1 Bitová rychlost OVSF 1 Dekódování kanálů (Dechannelization) PN kód PŘIJÍMAČ OVSF n Čipová rychlost 3,84 Mchip/s Deskramblování (Descrambling) Čipová rychlost VF demodulátor Datový signál n Bitová rychlost Dekódování kanálů (Dechannelization) Obr. 9 Blokové schéma zpracování signálu v systému UMTS Poněvadž čipová rychlost v systému UMTS je konstantní, má změna SF (tedy změna Walshova kódu) přímý vliv na uživatelskou přenosovou rychlost signálu. Při větším SF je 20

21 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra menší uživatelská přenosová rychlost signálu, avšak větší zisk rozprostírání snižuje citlivost přenosu k interferencím. Naopak při menším SF je uživatelská přenosová rychlost větší, ale citlivost přenosu k interferencím se zvyšuje z důvodu menšího zisku rozprostírání. Pro rozlišení signálů je v systému UMTS přidělen každému Node B a každému UE jedinečný skramblovací kód. Všechny signály jsou tedy ve stejném čase přenášeny stejným rádiovým kanálem, avšak jejich rozlišení je provedeno jedinečným skramblovacím kódem. Tímto se systém UMTS (obecně systémy CDMA) výrazně odlišuje například od systému GSM, který každému uživateli přidělí pro komunikaci určitý rádiový kanál a v něm určitý timeslot. V každém okamžiku je tedy v jednom rádiovém kanálu signál pouze jednoho uživatele. U systému UMTS jsou v downlinku rozlišeny skramblovacími kódy jednotlivé Node Bs (buňky) a podobně v uplinku jsou těmito kódy rozlišeny jednotlivé UEs. Počet ortogonálních Walshových kódů používaných v systému UMTS je však omezen. Například libovolný Node B může realizovat pouze omezený počet spojení, a to v rozsahu od 4 (pro SF = 4) do 512 (pro SF = 512), tj. používá omezený počet ortogonálních kódů Vývoj systému UMTS V rámci partnerského projektu 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) byly prováděny další postupné úpravy a vylepšení systému UMTS. Popisy nových úprav systému UMTS jsou vydávány přibližně každý rok v doporučeních 3GPP (Releases). Dosavadní vývoj systému UMTS (3G) k systému LTE Advanced (4G) je přehledně znázorněn na obr. 10. V systému HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) je již používán pouze paketový přenos. Pro přenos hlasu používá systém protokol SIP (Session Initial Protocol), pro přenos dat protokoly IPv4, resp. IPv6. Implementaci lze jednoduše realizovat softwarovou úpravou. Technologie HSDPA umožňuje výrazné zvýšení přenosové rychlosti v downlinku až na 14,4 Mbit/s v jedné buňce (reálně dosahuje uživatel cca 1,8 Mbit/s). V rámci Release 5 jsou stanoveny celkem čtyři verze HSDPA, které se liší maximální přenosovou rychlostí: 1,8 Mbit/s, 3,6 Mbit/s, 7,2 Mbit/s a 14,4 Mbit/s. Vyšší rychlosti je dosaženo především využitím vícestavové modulace (QPSK, 16QAM), přidáním dalších kanálů, rychlým přidělováním rádiových prostředků atd. 4G 3,9G 3,9G 3,75G Release 7. Release 6 3,5G.. Release 5 Release G Release Release Release 11. Release UMTS HSUPA HSUPA+ HSDPA, IMS LTE LTE Advanced Vývoj systémů Obr. 10 Jednotlivé etapy vývoje systému UMTS k systému LTE Advanced Technologie HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) umožňuje zvýšení přenosové rychlosti v uplinku až na 5,76 Mbit/s pro jednu buňku (reálně dosahuje uživatel 1,4 Mbit/s). Nově také umožňuje spolupráci 3GPP systémů se sítěmi WLAN (způsoby řešení - scenario 1 21

22 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra až 6). Implementace technologie HSUPA je opět pouze softwarovou záležitostí. Využívají se obdobné úpravy jako u HSDPA, tj. přidání dalších přenosových kanálů, rychlé přidělování rádiových prostředků atd. Technologie HSPA+ (High Speed Packet Access +) využívá všech vylepšení, která byla do systému UMTS implementována. Obě používané technologie HSDPA a HSUPA, pro zlepšení přenosu signálu v downlinku a uplinku, jsou na sobě zcela nezávislé a v praxi mohou být do systému implementovány odděleně. Technologie HSPA+ využívá HSDPA a HSUPA současně a navíc umožňuje využití účinnější modulace a techniky MIMO 2x2 (Multiple Input Multiple Output). Umožňuje použít i vyšší čipovou rychlost 7,68 Mchip/s. V downlinku (HSDPA) je použita modulace 64QAM, kdy jeden stav nosné reprezentuje 6 bitů. Ve srovnání s původně používanou modulací 16QAM, kdy jeden stav nosné reprezentuje 4 bity, tak dochází ke zvýšení přenosové rychlosti datového signálu o 50%. Modulace 64QAM však vyžaduje, pro přenos signálu s definovanou chybovostí BER, přenosové prostředí s poměrem C/I alespoň 27 db. Proto není tato modulace používána v celé buňce, ale pouze v blízkosti Node B, kdy je možné dosáhnout přenosové rychlosti až 21,6 Mbit/s. V uplinku (HSUPA) je možné používat i modulaci 16QAM, což umožňuje zvýšit přenosovou rychlost až na 11,5 Mbit/s. Technika MIMO obecně využívá několik vysílacích a několik přijímacích antén, mezi kterými dochází k přenosu signálu různými nezávislými cestami. Počet přijímacích antén n R by měl být nejméně roven počtu vysílacích antén n T, v praxi však obvykle platí nr nt n. Každá anténa plní funkci vysílací i přijímací. Přenos z i-té vysílací antény do j-té přijímací antény je vyjádřen koeficientem h ij. Přenosový systém MIMO je potom popsán maticí kanálu H. Z každé vysílací antény je vysílán jedinečný datový signál, a to ve společném rádiovém kanálu, tj. na stejné nosné. V ideálním případě by jednotlivé vysílané signály měly mít nulovou vzájemnou korelaci. Pro rozlišení těchto signálů na přijímací straně jsou signály pro každou vysílací anténu před modulací kódovány vhodnými ortogonálními kódy. Signály se do přijímacích antén mohou šířit po přímých drahách nebo i odrazem od různých překážek. Do každé přijímací antény tak může přijít směs signálů ze všech vysílacích antén. V přijímači jsou signály nejdříve selektivně odděleny, následně demodulovány, dekódovány a potom se jejich vhodnou kombinací vytvoří výstupní signál. Technika MIMO tak umožňuje umělým vytvořením většího počtu přenosových cest v jediném rádiovém kanálu dosáhnout výrazné navýšení přenosové kapacity ve srovnání s klasickými systémy SISO. Pomocí tohoto tzv. prostorového multiplexování signálů je tedy možné přenést různé datové toky současně, přičemž tyto datové toky mohou patřit jednomu uživateli (single user MIMO, SU-MIMO) nebo různým uživatelům (multi user MIMO, MU- MIMO). Prostorové multiplexování lze využít pouze v případě, kdy to rádiový kanál umožní. Technologie HSPA+ podporuje techniku MIMO, a to pouze v downlinku (HSPDA) a jen s modulací QPSK nebo 16QAM. Použitím MIMO 2x2 se přenosová rychlost v downlinku zvýší až na 28 Mbit/s. 4. Systém LTE Systém LTE (The Long Term Evolution of UMTS) je jedním z posledních kroků ve vývoji mobilního systému UMTS. Jeho specifikace byly vydány pod označením Release 8 v roce Systém je ryze paketový (nepoužívá již komutovaný přenos), založený na protokolu IP, přesněji na protokolu MIP (Mobile IP). Výhodou je malá odezva na rádiovém rozhraní (< 10 ms), spektrální účinnost (3-4x vyšší než HSPA) a především vyšší přenosová rychlost signálu, dosahující hodnot až stovky Mbit/s. 22

23 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra 4.1. Architektura systému LTE Struktura sítě se skládá ze dvou základních částí, tzv. páteřní sítě EPC (Evolved Packet Core) a přístupové sítě E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), obr. 11. Ve struktuře systému dochází k výrazné změně, a to směrem k vyšší inteligenci základnové stanice, která je označována enode B (evolved Node B). Rádiová přístupová síť E-UTRAN zajišťuje propojení mezi paketovou sítí EPC a jednotlivými UEs. Obsahuje základnové stanice enode B, které zajišťují komunikaci s UEs přes rádiové rozhraní označené U u. Každý enode B plní funkci základnové stanice i řídicí jednotky rádiové sítě. Zajišťuje rádiové zdroje, pokrytí dané oblasti rádiovým signálem a přiděluje rádiové prostředky podle požadavků kvality služeb QoS. Provádí měření úrovně signálu i interferencí a na základě těchto údajů a obdobných údajů z UE rozhoduje o provedení handoveru. Uživatelské zařízení UE (User Equipment) se skládá z několika částí. SIM karta může být ve formě USIM (UMTS SIM) nebo ISIM (IP Multimedia Subsystem SIM) nebo může být společná UICC (UMTS Integrated Circuit Card). Mobilní zařízení ME (Mobile Equipment) zajišťuje rádiové připojení do sítě, ověřování identifikace, provedení autentifikace, komunikaci se SIM, aktivaci a deaktivaci podle požadavku terminálu, bezpečnost přenosu apod. Terminál TE (Terminal Equipment) obsahuje reproduktor, mikrofon, snímač obrazu, displej, operační systém, LTE ovladače, aplikace. Části ME a TE mohou být integrovány do jednoho zařízení nebo mohou být odděleny, například při použití notebooku. Uživatelská zařízení UE se rozdělují podle maximálních přenosových rychlostí a podle maximálního výkonu do několika tříd. UE U u U u UE U u UE E-UTRAN enode B X2 enode B X2 enode B S1-MME S1-U S1-MME S1-U S1-U S1-MME EPC MME S-GW HSS P-GW PCRF SAE-GW Externí paketové sítě Internet Obr. 11 Architektura sítě LTE 23

24 4.2. Přenos signálu S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro downlink a uplink se v systému LTE používají různé způsoby multiplexování (přístupové techniky). Pro uplink se používá SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access), pro downlink se využívá OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) s konstantním rozestupem subnosných 15 khz, který nezávisí na šířce pásma rádiového kanálu. Důvodem pro použití přístupu OFDMA v downlinku je vyšší spektrální účinnost, odolnost signálu při průchodu únikovým rádiovým kanálem, škálovatelnost pásma, jednodušší implementace MIMO, koordinace subnosných apod. 0,5 ms 1 slot PRB N subnosných 12 subnosných zdrojový element M symbolů Obr. 12 Fyzický zdrojový blok PRB Fyzický zdrojový blok PRB je základní kmitočtově časovou jednotkou v systému LTE a obsahuje 12 subnosných umístěných vedle sebe pro jeden časový slot délky 0,5 ms, obr. 12. Je to nejmenší zdrojový blok přiřazený enode B pro kmitočtové plánování (180 khz x 0,5 ms). Každý PRB se skládá ze zdrojových elementů, z nichž každý reprezentuje jednu subnosnou po dobu jedné symbolové periody OFDM (DL) nebo SC-FDMA (UL). kmitočtová oblast časová oblast datový tok FEC, prokládání mapovací obvod m m-bitový symbol demultiplexer (převod SPC) m m m IFFT OFDM symbol multiplexer (převod PSC) vložení CP převod D-A Obr. 13 Zpracování signálu LTE v downlinku (OFDMA) převod do vf pásma Zpracování signálu v downlinku je znázorněno na obr. 13. Datový signál, podrobený kanálovému kódování FEC a prokládání, je mapován do m-bitových symbolů podle použité digitální modulace (QPSK, 16QAM, 64QAM). V sériově paralelním převodníku SPC 24

25 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra se vytvoří OFDM symboly, které jsou přiváděny na vstupy procesoru, realizujícího transformaci IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Každý OFDM symbol tvoří N vzorků (každý vzorek je vyjádřen m bity), které reprezentují uvažovaný signál v kmitočtové oblasti. Výsledkem transformace je opět N vzorků, které však nyní reprezentují uvažovaný signál v časové oblasti. Po paralelně sériovém převodu PSC je do signálu vkládán CP (Cyclic Prefix), který omezuje vliv ISI (Inter Symbol Interference) a ICI (Inter Carrier Interference). Po digitálně analogovém převodu D-A je signál OFDM v základním pásmu (Base Band). Následuje konverze signálu do vysokofrekvenčního pásma (obvykle ještě přes mezifrekvenční pásmo), jeho výkonové zesílení a vyzáření anténou do rádiového prostředí. časová oblast kmitočtová oblast časová oblast datový tok FEC mapovací obvod m m-bitový symbol demultiplexer (převod SPC) m m m FFT mapování symbolů na subnosné IFFT vložení CP multiplexer (převod PSC) převod D-A převod do vf pásma SC-FDMA symbol lokalizovaný přenos f lokalizovaný přenos subnosných distribuovaný přenos subnosných distribuovaný přenos f Obr. 14 Zpracování signálu LTE v uplinku (SC-FDMA) V uplinku používá systém LTE přístup SC-FDMA. Důvodem byl prioritní požadavek na nízký odběr UE a s tím spojené nízké provozní náklady. Při použití OFDMA by v důsledku velkého PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) nemohly být uvedené požadavky splněny. Velká hodnota PAPR klade také zvýšené požadavky na vysokofrekvenční výkonové zesilovače, které musejí být lineární, což by navíc způsobilo komplikace při konstrukci UE. Výhody přístupu SC-FDMA jsou tedy nízký PAPR, lepší účinnost vysokofrekvenčního výkonového zesilovače a nižší odběr UE. Při vytváření signálu se využívá modulace OFDM s rozprostíráním signálu pomocí diskrétní Fourierovy transformace DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread OFDM), obr. 14. Úprava blokového schématu modulátoru spočívá tedy v zařazení signálového procesoru (před blok IFFT), který provádí diskrétní Fourierovu transformaci DFT, nejčastěji FFT. Každý datový symbol je tak rozprostřen na všechny subnosné, a tím je zamezeno zvyšování PAPR. Hodnota PAPR se tedy blíží hodnotě při použití jedné nosné. Mobilní systémy popsané v předchozích kapitolách se používají k vytvoření celoplošných sítí WWAN. S těmito buňkovými sítěmi může být pokryto teoreticky nekonečně rozlehlé území. 25

26 5. Systém Wi-Fi S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro pokrytí území s menší rozlohou se používají mobilní systémy řazené do skupiny s označením WLAN. K nejrozšířenějším patří systémy podle standardů IEEE Celosvětově jsou tyto systémy známé pod označením Wi-Fi (Wireless Fidelity), i když toto označení není z hlediska vývoje zcela přesné. Využívají se především pro mobilní přístup k síti Internet. Technologie Wi-Fi je nedílnou součástí vybavení notebooků a mobilních telefonů. Původní systém podle standardu IEEE byl vytvořený v roce 1997 jako bezdrátová alternativa k pevným sítím typu Ethernet. Vývoj tohoto systému však pokračoval rychlým tempem a v poměrně krátké době bylo vytvořeno velké množství různých verzí, jejichž označení se liší pouze malým písmenem latinské abecedy. Přehled nejpoužívanějších standardů IEEE je uveden v tab. 1. Tab. 1: Přehled nejpoužívanějších standardů IEEE Standard IEEE Rok vydání standardu Kmitočtové Pásmo [GHz] Přenosová rychlost [Mbit/s] Modulace Poznámka ,4 1; 2 DBPSK a DQPSK Barkerovo kódování b ,4 1; 2; 5,5; 11 DBPSK a DQPSK Barkerovo kódování g ,4 max. 54 DBPSK až 64QAM OFDM a max. 54 BPSK až 64QAM OFDM n ,4 nebo 5 max. 540 DBPSK až 64QAM OFDM, MIMO Většina těchto systémů pracuje v bezlicenčním kmitočtovém pásmu 2,4 GHz, označovaném zkratkou ISM (Industrial, Scientific, Medical). Provoz bezdrátových zařízení v tomto pásmu nemusí schvalovat Český telekomunikační úřad (ČTÚ), avšak zařízení nesmí překročit maximální vyzářený výkon (EIRP) 100 mw a maximální výkonovou spektrální hustotu 10 dbm / 1 MHz. Kromě systémů Wi-Fi pracují totiž v pásmu ISM i systémy Bluetooth, ZigBee, kuchyňské mikrovlnné trouby a další průmyslová zařízení, včetně lékařských diagnostických přístrojů. První specifikace standardu definovala v roce 1997 tři typy fyzické vrstvy: FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) a přenos infračerveným zářením IR. Při revizi standardu v roce 1999 a 2003 byly tyto vrstvy doplněny o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) a HR/DS-SS (High Rate DS-SS). Ve všech systémech Wi-Fi je tedy používána technika rozprostřeného spektra. FH-SS Podle pseudonáhodné sekvence se mění nosná vysílaného signálu. Šířka pásma rádiového kanálu je obvykle 1 MHz. Technika FH-SS bylo z novějších standardů vyřazena. DS-SS Přímé rozprostření signálu pseudonáhodnou sekvencí do šířky pásma 20 MHz. Původní standard definuje fyzickou vrstvu DS-SS o rychlosti 2 Mbit/s, standard b přináší zvýšení rychlosti až do 11 Mbit/s (HR/DS-SS). OFDM Spektrum výsledného signálu OFDM obsahuje velké množství subnosných, jejichž kmitočty splňují podmínku ortogonality (odstup sousedních subnosných je roven převrácené hodnotě symbolové periody). Datový signál modulovaný na každou subnosnou (BPSK až 64QAM) má relativně malou přenosovou rychlost. Přenosová rychlost výsledného signálu je dána součtem přenosových rychlostí dílčích signálů na všech subnosných. Tuto techniku používá standard a (5 GHz) a od roku 2003 i standard g (celkový počet subnosných je 52, jejich kmitočtový odstup je 312,5 khz). 26

27 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Výrazné zvýšení přenosové rychlosti signálu u standardu n je dosaženo využitím možností technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output), která významně zvyšuje průchodnost dat v rádiovém prostředí a tím i kapacitu systému bez nutnosti rozšíření kmitočtového pásma rádiového kanálu a bez zvýšení výkonu vysílaného signálu. Využívá soustavy několika vysílacích a několika přijímacích antén (v praxi zatím pouze 2x2, 4x4). Všechny vysílací antény vysílají současně ve stejném rádiovém kanálu, ale každá anténa vysílá jiný datový signál. Proto musí být signály každého dílčího vysílače vhodným způsobem kódovány v kodéru MIMO, např. ortogonálními kódy, zavedením časového ofsetu (Space Time MIMO prostorově časová diverzita), případně se použijí různé modulace apod. Pokud jsou vysílací antény dostatečně od sebe vzdálené, jsou vysílané signály vzájemně málo korelované (v ideálním případě jsou nekorelované), což je nutná podmínka pro zvýšení celkové přenosové rychlosti signálu. Každá přijímací anténa může přijímat signály od všech vysílacích antén. Přijímané signály mohou přicházet po přímých drahách, ale i po drahách vytvořených odrazem signálu od různých překážek. Přijímač signály selektivně oddělí, demoduluje, dekóduje a vhodnou kombinační metodou vytváří výsledný signál. 6. Systém Bluetooth Systém Bluetooth je typickým představitelem mobilních systémů pro vytváření sítí WPAN. Je definován standardem IEEE a ETSI HiperPAN. Původně byl vyvinut jako náhrada kabeláže propojující zařízení IT (např. PC, tiskárnu, skener apod.). V současné době se využívá i k propojení jiných zařízení, např. notebooků, mobilních telefonů apod. do vzdálenosti až 100 metrů, podle výkonové třídy. K přednostem systému patří nízký vysílací výkon, bezpečnost a robustnost přenosu a nízká spotřeba terminálů. Od svého vzniku v roce 1998 se systém Bluetooth postupně vyvíjel a vznikaly jeho novější verze, které jsou vždy zpětně kompatibilní s verzemi předchozími, tab. 2. Systém Bluetooth pracuje v kmitočtovém pásmu ISM 2,4 GHz. V Evropě se používá 79 rádiových kanálů s šířkou pásma 1 MHz. Využívá se kmitočtového skákání FH-SS, kdy se během jedné sekundy provede 1600 přeskoků (přeladění) mezi používanými nosnými. Doba vysílání na jedné nosné je 625 s. Minimálně 2 a maximálně 8 zařízení (terminálů) Bluetooth může vytvářet malé síťové struktury označované názvem pikonet (piconet - pikosíť). Využívá se topologie ad hoc (komunikace point to point nebo point to multipoint), případně topologie scatter ad hoc (rozptýlená topologie ad hoc ). Jednotlivé terminály jsou si rovnocenné a neexistuje mezi nimi žádná hierarchie. Avšak terminál, který první iniciuje sestavení sítě, se stává řídící jednotkou (master) a plní řídicí funkce. Provádí identifikaci uživatelů, zajištění jejich vzájemné synchronizace apod. Ostatní terminály se stávají podřízenými jednotkami (slave). Každá síť má svoji vlastní pseudonáhodnou sekvenci, která je dána řídicí jednotkou. 27

28 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Tab. 2: Přehled nejdůležitějších verzí systému Bluetooth Verze Bluetooth Rok vydání standardu a b Základní popis První verze standardu obsahující definici Basebandu a Link Manager protokolu První veřejně dostupná verze standardu, interoperabilita mezi výrobci Problémy s interoperabilitou mezi různými výrobci, další rozšíření standardu Oprava většiny chyb verze 1.0b, přidána podpora nešifrovaných signálů, indikátor velikosti přijímaného signálu (RSSI), řízení výkonu Zvýšená odolnost proti nežádoucím interferencím, zvýšená kvalita přenosu signálu v audio kanálech EDR 2004 Zvýšená rychlost přenosu při použití EDR EDR Vylepšený proces párování, nižší spotřeba energie, podpora NFC (Near Field Communication) Vylepšení řízení výkonu EPC, spolupráce se systémy Wi-Fi Menší spotřeba energie, podpora šifrování AES-128 Základní parametry FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH / AFH, GFSK, 1 Mbit/s FH / AFH, GFSK (1 Mbit/s), pi/4 DQPSK (2 Mbit/s), 8 DPSK (3 Mbit/s) FH / AFH, GFSK (1 Mbit/s), pi/4 DQPSK (2 Mbit/s), 8 DPSK (3 Mbit/s) 24 Mbit/s 24 Mbit/s Každé mobilní nebo pevné zařízení, které je součástí sítě pikonet, obsahuje terminál, v němž je umístěn rádiový vysílač a přijímač, včetně procesoru základního pásma, obr. 15. TERMINÁL BLUETOOTH Rádiová část 2,4 GHz Procesor Zpracování signálu v základním pásmu Interface Komunikující zařízení Obr. 15 Blokové schéma terminálu Bluetooth Podle výkonu vysílaného signálu a tedy i podle dosahu se terminály Bluetooth rozdělují do tříd: třída 1, výkonová úroveň 20 dbm, dosah do 100 metrů, třída 2, výkonová úroveň 4 dbm, dosah do 10 metrů, třída 3, výkonová úroveň 0 dbm, dosah do 1 metru. Pro komunikaci mezi terminály se požívá časový duplex TDD. V každém rádiovém kanálu jsou vytvořeny timesloty délky 625 s, které jsou číslovány od 0 do Jeden cyklus má délku 2 27 timeslotů. Řídicí jednotka vysílá v každém sudém timeslotu, podřízená jednotka v každém lichém timeslotu. 28

29 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra 7. Vývojové trendy v mobilních komunikacích Při vývoji nových mobilních systémů lze vysledovat následující trendy: přechod pouze k paketovým systémům (UMTS využívá PS i CS), využívajících IP (MIP), změna struktury sítě směrem k vyšší inteligenci základnové stanice - základnová stanice s IP řadičem (IP Router) tvoří nový prvek sítě Radio Router, datový provoz bude převážně asymetrický (využívání TDD i FDD s vyšší kapacitou pro downlink), kmitočtová pásma systémů se posouvají k vyšším kmitočtům (možnost využití větší šířky pásma, avšak problémy se šířením signálu), používání přístupů OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), MC-CDMA (Multi Carrier Code Division Multiple Access), MC-DS-CDMA (MC-Direct Sequence-CDMA) aj. (výhody: vysoká spektrální účinnost, odolnost vůči impulznímu rušení, lepší vlastnosti při mnohocestném šíření signálu - nevýhody: modulovaný signál nemá konstantní obálku, problém PAPR), využití kognitivního rádia prohledávání rádiového spektra a využití volných kmitočtových pásem pro další komunikaci v určitém časovém intervalu, využití softwarového rádia - snaha posunout digitální zpracování signálu ke vstupu přijímače (řešení problémů koexistence několika mobilních systémů - jeden terminál pro několik systémů), potlačení interferenčních signálů použití antén s tvarováním vyzařovacích charakteristik pomocí adaptivních algoritmů pro časově prostorové zpracování signálů, sledování požadovaného signálu, a další. Za celoplošný (WWAN) mobilní systém budoucnosti lze považovat systém LTE- Advanced, který se řadí do skupiny systémů 4G. Oproti LTE má systém LTE-Advanced 3x vyšší spektrální účinnost a latence se snížila na hodnotu 5 ms. Využívá opět přístupové techniky OFDMA a SC-FDMA. Technika MIMO se v downlinku rozšiřuje na MIMO 8x8 s využitím MU-MIMO (Multi User MIMO), kde jsou paralelní datové toky přenášené k různým UEs prostorově odděleny. V uplinku je technika MIMO rozšířena na MIMO 4x4 s využitím SU-MIMO (Single User MIMO), kde jsou všechny paralelní toky vysílány k jednomu enb. V systému LTE-Advanced lze dosahovat v downlinku rychlosti 1 Gbit/s, v uplinku 0,5 Gbit/s, při pohybu UE do 15 km/h. Maximální rychlost pohybu UE je 500 km/hod. Pro dosažení vysokých přenosových rychlostí signálu je nutná větší šířka pásma, kterou systém zajišťuje metodou sdružování nosných, kdy jednotlivá kmitočtová pásma jsou sloučena do jednoho výsledného pásma. Systém LTE-Advanced využívá k rozšíření pokrytí území i femtobuňky označované také Home enode B. Jsou to buňky s poloměrem maximálně několik desítek metrů, které mohou být umístěny i ve větší buňce. Pro spojení enb se sítí se využívá pevné internetové připojení, například ADSL, přes bránu HeNB GW (Home enode B Gateway). Za mobilní systém budoucnosti je považován i systém HAPS (High Altitude stratospheric Platform station System). Umožní přenos multimediálních signálů a bude vhodný nejen pro mobilní terminály, ale i pro přenosná a pevná zařízení. Na rozdíl od současných systémů, které mají základnové stanice rozmístěny na zemském povrchu, jsou základnové stanice BS (tzv. platformy) umístěny ve stratosféře, přibližně ve výšce 20 km. 29